基于甲醇苯酚體系進料組成對雙效精餾節能效果影響分析

＊江保衛

（江蘇三吉利化工股份有限公司 江蘇 222066）

前言

在苯甲醚的傳統生產方法中，有以下幾種：（1）使用苯酚與硫酸二甲酯為原料進行反應，生產苯甲醚，此反應缺陷非常明顯，硫酸二甲酯屬于劇毒化學品，在生產過程中極易對人體與環境造成重大傷害。（2）以苯酚與甲醇液相反應，此反應轉化率較高，但反應條件非常苛刻，需要較高的反應壓力與反應溫度，而且反應只能以間歇方式進行，勢必導致反應難度增加，設備投資增大，反應安全性難以得到保障。（3）以苯酚與甲醇為原料進行氣相催化，合成苯甲醚，此方法具有反應條件溫和，反應時溫度壓力易于控制，原料與催化劑毒性低等優點。在此生產工藝中，為了回收未反應的甲醇回反應進行套用，采用精餾方式分離純凈的甲醇成為最佳選擇。

在化工行業中，精餾作為分離物料手段應用非常廣泛，同時精餾過程又是高耗能分離單元操作過程。在能源緊張的今天，如何降低精餾能耗成為當今化工工藝流程設計的主題之一。傳統精餾主要使用生蒸汽進行塔釜加熱產生物料蒸汽進行氣液交換從而提純物料，能源浪費嚴重。而雙效精餾技術則是通過利用壓力不同的雙塔，由高壓塔塔頂蒸汽作為熱源，向低壓塔再沸器供熱，以降低能耗。在甲醇-苯酚精餾體系中，如果采用單塔精餾的方式，勢必造成能耗較高。在化工設計以追求降本增效為目的的今天，隨著雙效精餾技術的不斷發展，采用雙效精餾方式進行分離對節約生產成本具有重要的意義。按照蒸汽與物料流動方向的差別，雙效精餾可以分為并流雙效與逆流雙效。本文針對不同的進料組成對單塔精餾、并流雙效精餾與逆流雙效精餾進行評價，為甲醇-苯酚雙效精餾的實際應用提供理論依據。

1.雙效精餾流程

本文運用化工流程模擬軟件對不同組成的甲醇苯酚體系精餾分離進行流程模擬計算。

如圖1所示負壓精餾塔1進料通過進料預熱器將甲醇-苯酚物料打入負壓精餾塔1，塔釜一部分甲醇與苯酚采出至正壓精餾塔2，精餾塔2經過加熱后，塔頂甲醇氣相與負壓精餾塔1的再沸器換熱后一部分甲醇作為產品采出，另一部分作為回流回到正壓精餾塔2，負壓精餾塔1經過加熱后，塔頂甲醇物料蒸汽經過冷凝后采出一部分作為產品，另一部分作為回流回到負壓精餾塔1。

圖1 雙效精餾方案一（逆流雙效）

如圖2所示正壓精餾塔1進料通過進料預熱器將甲醇-苯酚物料打入正壓精餾塔1，塔釜一部分甲醇與苯酚采出至負壓精餾塔2，正壓精餾塔1經過加熱后，塔頂甲醇物料蒸汽與負壓精餾塔2的再沸器換熱后采出一部分甲醇作為產品，另一部分作為回流回到高壓精餾塔1，負壓精餾塔2經過加熱后，塔頂甲醇蒸汽經過冷凝后采出一部分作為產品，另一部分作為回流回到負壓精餾塔2中。

圖2 雙效精餾方案二（并流雙效）

2.熱力學模型選擇

物性方法的選擇相當重要，是進行模擬選擇的第一步，錯誤的物性方法可能導致計算的結果與正確結果南轅北轍，可見物性方法是分離過程模擬計算的基礎，是模擬結果準確的前提條件。精餾處理的物系組成大體可分為兩類，極性物系與非極性物系，對于非極性物系的熱力學計算方法的模擬的準確性已達非常高的程度。但是對于極性物系來說，二元相互作用參數的準確程度將極大影響著相平衡計算過程。NRTL模型特別適用于含有醇類、水和其他極性物系的體系。所以本文采用NRTL模型來處理甲醇、苯酚體系精餾計算過程。

3.流程模擬

為了便于考核進料組成對兩種雙效精餾體系的節能效果，統一設置進料溫度為55℃，進料量為5000kg/h，塔頂采出甲醇含量為99.75%，考察進料組成甲醇質量分數為20%、50%、80%時，單塔精餾與兩種雙效精餾方案節能情況。過程熱損失忽略不計，高壓塔與低壓塔換熱溫差不小于10℃。

對于單塔流程，先采用簡捷模型進行初步計算，核算出最小回流比、最小塔板數、理論塔板數等重要參數，再將簡捷計算的結果作為嚴格計算的依據，進行精確核算，并調整塔板數與回流比，并對進料位置進行核算，以達到最佳進料位置。

對于雙塔流程，按照以上方法進行單塔計算，單塔模擬最優化后將兩塔進行熱耦合計算。

4.結果與討論

在相同分離效率與相同進料條件下，單塔精餾與雙效精餾節能情況對比。在進料甲醇變化情況下，考察冷凝器負荷、再沸器負荷以及節能情況。

由表1可見，在甲醇-苯酚精餾體系中，進料組成甲醇含量從20%升高至80%，逆流雙效與并流雙效均取得良好的節能效果，尤其進料中輕組分甲醇含量逐漸升高，節能效果呈現逐漸增加趨勢，在逆流雙效中最高節能達到45.5%。

表1 單塔精餾、逆流雙效與并流雙效能耗情況

但是逆流雙效優于并流雙效組合，其原因在于并流雙效增大精餾塔壓力時，組分之間相對揮發度減少，從而將增加精餾操作的回流比，使得傳質與傳熱較為困難，節能效果相對較差。本例中，甲醇的沸點低于苯酚沸點，若要將甲醇塔塔頂物料蒸汽與苯酚塔塔底物料進行換熱，必須加大甲醇塔壓力。因此從節能角度來說采用逆流低壓塔與正壓塔進行精餾熱耦合較為合適。但是在設計時要注意一點，減壓塔的塔徑往往大于正壓塔，這是因為由于物料蒸汽在真空環境中，物料密度降低。這將導致前期設備投資增加。因此對于選擇逆流雙效還是并流雙效，應該綜合考慮設備投資費用與操作費用，再決定采取并流雙效還是逆流雙效。在甲醇-苯酚精餾體系運行過程中，設備投資費用只占到運行成本較小的方面，所以精餾方式采用逆流雙效進行精餾，并且正壓塔理論版數計算得出為30塊，負壓塔理論版數為28塊。

5.甲醇苯酚逆流雙效系統操作參數改變對流程的影響

(1)精餾壓力改變對工藝參數的影響

圖3中可以看出隨著正壓塔壓力的升高，從100kPa升高至700kPa，塔頂甲醇的含量則略有下降，苯酚的含量略有升高。說明精餾塔從常壓至正壓，甲醇與苯酚的分離難度有增加的趨勢，常壓精餾是較好的選擇，但是在常壓精餾的情況下，常壓塔塔頂溫度較加壓塔略低，與負壓塔換熱時負壓塔的再沸器面積隨之增大，設備投資隨之增加，所以在滿足產品含量的需求下，塔頂壓力采用300kPa是較為合適的選擇。以同樣方法考察負壓塔精餾壓力，確定負壓塔精餾壓力為63kPa較為合適。

圖3 正壓塔壓力與塔頂甲醇、苯酚含量關系圖

(2)進料塔板位置改變對工藝參數的影響

在確定精餾壓力后，圖4是物料在進入不同的塔板后對正壓塔精餾塔塔釜再沸器熱負荷的影響，可以很清晰的看到在物料進入到底20塊理論版的時候塔釜熱負荷最小。

圖4 不同的進料位置對于再沸器的精餾負荷

以同樣的方法對負壓塔進行考察，計算得出負壓塔在16塊理論版進料的時候塔釜熱負荷最小。

6.結束語

綜合上述分析得出結論，正壓塔理論版數30塊，精餾壓力300kPa，進料位置在第20塊理論版上；負壓塔理論版數28塊，精餾壓力63kPa，進料位置在第16塊。雙效精餾技術目前已經發展較為成熟，在合適的工況下采用雙效精餾技術有很高的經濟價值與社會效益，使得精餾工藝更加經濟、綠色。我國還是一個能源消耗大國，在節能減排成為熱點問題的今天，進行化工設計的能源優化，避免能源浪費，對化工過程節能的落實具有重大的意義。